1. Характеристики и основы применения жидкого силиката калия.
Будучи важным неорганическим соединением кремния, жидкий силикат калия играет ключевую роль во многих областях благодаря своим уникальным химическим свойствам. На примере жидкого силиката калия HLKL-1 производства Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd его модуль составляет 2,20-2,40. Он имеет характеристики высокой прозрачности и сильной щелочности. Он широко используется в неорганических покрытиях, калийных удобрениях, катализаторах, мыльных наполнителях, огнеупорных материалах и других областях. В производственном процессе ключом к обеспечению качества продукции является предотвращение чрезмерной полимеризации или гелеобразования, что не только связано со стабильностью эксплуатационных характеристик продукта, но и напрямую влияет на эффективность производства и рыночную конкурентоспособность предприятия.
2. Основные принципы полимеризации и гелеобразования жидкого силиката калия.
(I) Механизм реакции полимеризации
Основным компонентом жидкого силиката калия является силикат калия (K₂O・nSiO₂・mH₂O), в его водном растворе присутствуют комплексные силикатные анионы. При определенных условиях эти анионы будут подвергаться полимеризации посредством образования кремний-кислородных связей (Si-O-Si) с образованием полисиликатов с различной степенью полимеризации. Модуль (М) является важным показателем для измерения соотношения количества диоксида кремния и оксида калия в силикате калия. Для жидкого силиката калия с модулем 2,20-2,40 степень полимеризации его кремний-кислородного тетраэдра находится на среднем уровне, и решающее значение имеет управляемость реакцией полимеризации.
(II) Причины гелеобразования
Гелеобразование является результатом чрезмерной полимеризации. Когда молекулярные цепи полисиликатов продолжают расти и сшиваться, образуя трехмерную сетчатую структуру, система из жидкости превращается в гель. На этот процесс обычно влияет комбинация факторов, включая температуру, концентрацию, значение pH, содержание примесей и условия перемешивания. Как только произойдет гелеобразование, текучесть и характеристики жидкого силиката калия будут значительно снижены и могут даже не соответствовать требованиям заказчика.
3. Ключевые факторы, влияющие на полимеризацию и гелеобразование в процессе производства.
(I) Чистота и соотношение сырья
Сырье диоксида кремния. Чистота сырья диоксида кремния (например, кварцевого песка), используемого для производства жидкого силиката калия, напрямую влияет на качество продукта. Если сырье содержит ионы примесей, такие как железо, алюминий и кальций, эти примеси могут действовать как катализаторы или центры сшивки для реакций полимеризации, ускорять реакцию полимеризации и увеличивать риск гелеобразования. Например, избыточное содержание железа (например, более 0,01%) значительно снизит стабильность жидкого силиката калия. Исходя из этого соображения, Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd строго контролирует содержание железа ≤0,01% в ходе производственного процесса.
Соотношение оксида калия и диоксида кремния: точный контроль модуля является основой производства качественного жидкого силиката калия. Расчет модуля основан на соотношении количества оксида калия (K₂O) к диоксиду кремния (SiO₂). Если соотношение неточно, баланс зарядов кремний-кислородных тетраэдров в системе может быть нарушен, что приведет к аномальной полимеризации. В ходе производственного процесса требуется точное дозирование и контроль химических реакций, чтобы гарантировать, что модуль находится в целевом диапазоне 2,20-2,40.
(II) Температура и время реакции
Влияние температуры: Температура является важным фактором, влияющим на скорость реакции полимеризации. Повышение температуры ускорит скорость движения молекул и увеличит вероятность столкновения между молекулами реагентов, тем самым ускоряя реакцию полимеризации. В процессе приготовления жидкого силиката калия, если применяется процесс реакции при высокой температуре и высоком давлении, если температура не контролируется должным образом, реакция полимеризации может выйти из-под контроля, и могут быстро образовываться высокомолекулярные полисиликаты, и даже может произойти гелеобразование. Например, когда температура реакции превышает 120°C, скорость реакции полимеризации может резко возрасти, и особое внимание следует уделять мониторингу и регулированию температуры в реальном времени.
Контроль времени реакции: Время реакции тесно связано со степенью полимеризации. При определенной температуре степень полимеризации постепенно увеличивается с увеличением времени реакции. Если время реакции слишком велико, молекулярная цепь полисиликата будет продолжать расти и в конечном итоге образует гель. Следовательно, необходимо определить оптимальное время реакции посредством экспериментов, чтобы гарантировать, что диоксид кремния прореагирует полностью, избегая при этом чрезмерной полимеризации. Для жидкого силиката калия с модулем 2,20-2,40 время реакции обычно необходимо контролировать в пределах 8-12 часов. Конкретное время необходимо регулировать в зависимости от реакционного оборудования и характеристик сырья.
(III) Концентрация раствора и значение pH
Влияние концентрации: чем выше концентрация жидкого раствора силиката калия, тем больше концентрация силикат-анионов на единицу объема, тем больше вероятность межмолекулярного столкновения и тем выше скорость реакции полимеризации. Когда концентрация превышает определенный порог (например, по Бауме более 46,0), вязкость системы значительно увеличивается, эффективность массо- и теплопередачи снижается, и легко вызвать локальный перегрев и неравномерную реакцию полимеризации, что, в свою очередь, вызывает гелеобразование. Степень Бауме жидкого силиката калия HLKL-1 производства Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd контролируется на уровне 44,0-46,0, что находится в относительно безопасном диапазоне концентраций, но все же необходимо уделять пристальное внимание изменениям концентрации в процессе производства.
Регулирование значения pH: раствор силиката калия сильно щелочной, и значение pH влияет на форму существования силикатных анионов. В условиях высокого pH силикат-анионы существуют преимущественно в форме мономеров или олигомеров, а скорость реакции полимеризации низкая; при уменьшении значения рН степень диссоциации силиката снижается и легко образуются силикатные коллоидные частицы. Эти частицы будут служить ядром реакции полимеризации и способствовать образованию и сшиванию полисиликата. Поэтому в процессе производства необходимо поддерживать стабильное значение pH системы путем добавления щелочных веществ, таких как гидроксид калия. Обычно значение pH поддерживают в пределах 12-13, чтобы предотвратить чрезмерную полимеризацию.
(IV) Эффект перемешивания и массообмена
Перемешивание является важным средством обеспечения однородности реакционной системы. В процессе производства жидкого силиката калия, если перемешивание недостаточно, концентрация сырья, температура и значение pH на локальном участке могут быть неравномерными, тем самым вызывая локальную чрезмерную полимеризацию. Например, в мертвом углу реактора или рядом с мешалкой может произойти удержание материала и чрезмерная реакция, образующая ядро геля и постепенно распространяющееся на всю систему. Поэтому необходимо выбрать подходящий тип мешалки и скорость перемешивания, чтобы обеспечить полное смешивание материалов во время процесса реакции и повысить эффективность массопереноса и теплопередачи. Обычно используется якорная или лопастная мешалка, а скорость перемешивания контролируется на уровне 30-60 об/мин, чтобы сбалансировать эффект смешивания и потребление энергии.
(V) Примеси и катализаторы
Помимо ионов примесей в сырье, выбор материалов производственного оборудования также будет приводить к появлению примесей. Например, если реактор изготовлен из обычной углеродистой стали, в сильнощелочных условиях ионы железа могут раствориться и попасть в раствор, ускоряя реакцию полимеризации. Поэтому для уменьшения попадания примесей обычно используются реакторы из нержавеющей стали или эмали. Кроме того, некоторые ионы металлов (такие как ионы натрия и ионы кальция) могут действовать как катализаторы, ускоряя реакции полимеризации, и их необходимо удалять в максимально возможной степени во время предварительной обработки и производства сырья.
4. Ключевые технические меры, позволяющие избежать чрезмерной полимеризации или гелеобразования.
(I) Предварительная обработка сырья и контроль качества
Выбирайте сырье высокой чистоты: выбирайте кварцевый песок с низким содержанием примесей, таких как железо и алюминий, в качестве кремнеземного сырья и проводите строгий химический анализ сырья, чтобы гарантировать, что его чистота соответствует производственным требованиям. В то же время используйте высококачественный гидроксид калия или карбонат калия в качестве источника калия, чтобы избежать попадания ионов примесей.
Точно контролируйте соотношение сырья: используйте современное дозирующее оборудование (например, электронные весы, расходомеры) для точного контроля количества подаваемого оксида калия и диоксида кремния, чтобы гарантировать, что модуль находится в целевом диапазоне. В ходе производственного процесса можно использовать онлайн-аналитические инструменты для контроля модуля и концентрации раствора в режиме реального времени и своевременной корректировки соотношения сырья.
(II) Оптимизация параметров процесса реакции
Процесс сегментированного контроля температуры: используйте стратегию сегментированного контроля температуры, чтобы соответствующим образом повысить температуру (например, 100-110 ℃) в начале реакции, чтобы ускорить растворение и начальную реакцию полимеризации диоксида кремния; на средней и поздней стадиях реакции постепенно снижайте температуру (например, 80-90 ℃), чтобы замедлить скорость реакции полимеризации и избежать чрезмерной полимеризации. Таким образом, можно лучше контролировать степень полимеризации, обеспечивая при этом эффективность реакции.
Строго контролируйте время реакции: оптимальное время реакции определяется экспериментальным путем в зависимости от характеристик сырья и производительности реакционного оборудования. Во время производственного процесса установите реле времени или систему автоматического управления, чтобы обеспечить точный контроль времени реакции и избежать чрезмерного времени реакции из-за ошибок оператора.
Концентрация контрольного раствора и значение pH: Во время процесса реакции регулярно контролируйте степень Боме и значение pH раствора и корректируйте их, добавляя деионизированную воду или раствор гидроксида калия. Когда степень Боме приблизится к верхнему пределу (46,0), добавьте деионизированную воду, чтобы разбавить ее во времени; когда значение pH ниже 12, добавьте соответствующее количество раствора гидроксида калия для поддержания щелочной среды системы.
(III) Усовершенствовать перемешивание и конструкцию оборудования.
Оптимизируйте систему перемешивания: в зависимости от объема и характеристик материала реактора выберите подходящий тип и положение мешалки. Например, для больших реакторов можно использовать многослойные лопасти для перемешивания или комбинированные мешалки (такие как турбинные мешалки на верхнем слое и якорные мешалки на нижнем слое) для улучшения эффекта смешивания материалов в различных областях. В то же время скорость и направление мешалки выбраны таким образом, чтобы избежать образования вихрей и удержания материала.
Улучшите структуру реактора: используйте конструкцию реактора с гладкой внутренней стенкой и без мертвых углов, чтобы уменьшить прилипание и удерживание материалов на стенке реактора. Например, нижняя часть реактора может быть конической или эллиптической для облегчения выгрузки и очистки материалов; В реакторе установлена направляющая трубка, которая направляет направление потока материала и улучшает однородность смешивания.
Введение ультразвуковой или механической вибрации. В процессе перемешивания можно использовать ультразвуковые или механические вибрационные устройства для дальнейшего усиления эффектов смешивания и массопереноса материалов за счет подвода энергии. Ультразвуковые волны могут вызывать кавитационные эффекты, разрушать агломераты и ядра геля в материалах и ингибировать чрезмерные реакции полимеризации; Механические вибрации могут уменьшить прилипание материалов к мешалке и стенкам реактора и улучшить однородность реакционной системы.
(IV) Добавление стабилизаторов и ингибиторов
Роль стабилизаторов: добавление соответствующего количества стабилизаторов, таких как органические спирты (метанол, этанол), полиолы (этиленгликоль, пропиленгликоль) или полиэтиленгликоль, к жидкому раствору силиката калия. Эти стабилизаторы могут образовывать водородные связи с силикат-анионами, препятствовать образованию кремний-кислородных связей и тем самым ингибировать реакцию полимеризации. Количество добавляемого стабилизатора обычно составляет 0,5–2% от массы раствора, а оптимальное соотношение добавления необходимо определять экспериментальным путем.
Выбор ингибиторов: Для жидкого силиката калия с низким модулем упругости (например, M=2,20-2,40) в качестве ингибитора можно добавить небольшое количество кислой соли (например, дигидрофосфат калия, бикарбонат калия). Кислые соли могут нейтрализовать некоторые гидроксид-ионы и соответствующим образом снизить значение pH раствора, но количество добавок необходимо строго контролировать, чтобы избежать осаждения коллоида кремнезема из-за слишком низкого значения pH. Вообще говоря, количество добавляемой кислой соли не превышает 0,1% от массы оксида калия в растворе.
(V) Мониторинг и управление процессом в режиме реального времени
Технология онлайн-анализа: используйте онлайн-инфракрасные спектрометры, вискозиметры и другие аналитические инструменты для мониторинга состава, вязкости, степени полимеризации и других параметров реакционной системы в режиме реального времени. Например, инфракрасная спектроскопия может обнаружить характерные пики поглощения связей кремний-кислород в реальном времени, чтобы определить степень полимеризации; вискозиметр может отражать изменения текучести раствора в реальном времени. При аномальном повышении вязкости можно своевременно принять меры по корректировке параметров процесса.
Система автоматического управления: Создайте систему автоматического управления на основе ПЛК (программируемого логического контроллера) или РСУ (распределенной системы управления) и включите в объем автоматического управления ключевые параметры процесса, такие как температура, давление, концентрация, значение pH, скорость перемешивания и т. д. Благодаря заранее установленному алгоритму и пороговому значению управления рабочее состояние устройства нагрева/охлаждения, подающего насоса, мешалки и другого оборудования автоматически регулируется для достижения стабильного управления производственным процессом и снижения влияния ошибок человеческого вмешательства на качество продукции.
(VI) Постобработка и управление хранением
Фильтрация и осветление: после завершения реакции жидкий раствор силиката калия фильтруют для удаления нерастворенных частиц примесей и возможных частиц геля. Для обеспечения прозрачности и чистоты продукта можно использовать пластинчатый и рамочный фильтр, центробежный фильтр или мембранное фильтрующее оборудование. Отфильтрованный раствор можно дополнительно осветлить, например, статическим осаждением или добавлением флокулянтов для удаления мелких взвесей.
Контроль условий хранения: Жидкий силикат калия следует хранить в герметичных пластиковых бочках или резервуарах из нержавеющей стали во избежание контакта с воздухом. Среда хранения должна быть прохладной и сухой, с температурой, контролируемой в диапазоне 5-30 ℃, избегая прямых солнечных лучей и окружающей среды с высокими температурами. В процессе хранения качество продукции регулярно проверяется. Если есть признаки гелеобразования, его следует своевременно переработать или утилизировать, чтобы предотвратить попадание на рынок некачественной продукции.
5. Практический опыт
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, как профессиональный производитель продуктов из неорганического кремния, накопила богатый опыт в процессе производства жидкого силиката калия. Компания всегда уделяет внимание контролю качества продукции и создала полную систему управления качеством, внедрив современное производственное оборудование и инструменты для испытаний. Чтобы избежать чрезмерной полимеризации или гелеобразования жидкого силиката калия, компания приняла следующие меры:
Строгий контроль сырья: выберите в качестве сырья кварцевый песок высокой чистоты и гидроксид калия и установите долгосрочные отношения сотрудничества с высококачественными поставщиками, чтобы обеспечить стабильность качества сырья. В то же время каждая партия сырья перед поступлением на завод строго проверяется, чтобы предотвратить попадание в производство некачественного сырья.
Оптимизированный производственный процесс: для достижения точного контроля реакции полимеризации используется разработанный собственными силами процесс реакции с сегментным контролем температуры и эффективная система перемешивания. Благодаря многолетней оптимизации процессов компания может стабильно производить жидкую продукцию из силиката калия с модулем 2,20-2,40 и отличными характеристиками.
Совершенные методы тестирования: благодаря передовым инструментам химического анализа и оборудованию для тестирования физических характеристик каждое звено производственного процесса контролируется и анализируется в режиме реального времени. Например, измеряя степень Боме, плотность, содержание кремнезема, содержание оксида калия и другие показатели раствора, можно вовремя корректировать параметры процесса, чтобы качество продукта соответствовало стандартным требованиям.
Индивидуальные решения: в соответствии с различными потребностями клиентов компания может предоставить индивидуальные продукты и решения из жидкого силиката калия. В процессе общения с клиентами технический персонал компании полностью поймет сценарии применения и требования к производительности клиента, порекомендует клиентам подходящие модели продуктов и предоставит профессиональную техническую поддержку, чтобы помочь клиентам решить проблемы, возникающие во время использования.
